estudio del comportamiento bajo carga de un chasis para transporte

ARTÍCULO
DE
REFLEXIÓN
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO BAJO CARGA
DE UN CHASIS PARA TRANSPORTE DE PASAJEROS
POR MEDIO DE LA TECNOLOGÍA DE ELEMENTOS FINITOS
EN LA EMPRESA
EQUITEL CUMANDES S.A.
SUMMARY
El desarrollo del proyecto se basa en el estudio del
comportamiento estructural de un chasis para transporte de pasajeros, sometido a cargas estáticas y de
fatiga, por medio del Método de los Elementos Finitos
utilizando EL SOFTWARE ANSYS WorkBench, habiéndose dibujado la geometría en el software Solid Edge®.
El objeto de estudio es determinar si las partes del
chasis superan las condiciones de diseño a las que
van a estar sometidas en Colombia, permitiendo tramitar la respectiva homologación en el ministerio de
transporte e importación de este producto al país.
The development of the project is based on the study
of the structural behavior of a chassis for passengers’
transport, subjected to static and fatigue loads, by
means of finite elements metod (FEM) using ANSYS
WORKBENCH, drawing the geometry with SolidEdge®.
The study object is to determine if the chassis overcome the design conditions.
KEYWORDS
Structural, static, fatigue, FEM, SolidEdge, Ansys WorkBench
PALABRAS CLAVES
INTRODUCCION
Chasis, carrocería, esfuerzo, deformación, fuerza,
tensión, compresión, fatiga, flexión, modulo elástico,
fractura, temperatura, elementos finitos Solid Edge,
Ansys WorkBench.
La investigación es de tipo cuantitativo descriptiva,
debido a que el objetivo esta claramente estipulado
y se cuenta con los instrumentos de medición nece-
ESTUDIO
RESUMEN
DEL COMPORTAMIENTO
Ing. Jaime Alberto Parra Plazas, Ing. Ricardo Augusto Rios Linares,
Alumno: Roldan Ferney Rojas Hurtado, Alumno: David Mantilla Nova
Fecha de recepción del artículo: 20 de Marzo de 2007.
Fecha de aceptación del artículo:
1
[email protected]. Ingeniero Mecánico. Especialista en Automatización Industrial. Candidato a Magíster en Ingeniería – Automatización
Industrial, Universidad Nacional de Colombia, Bogotá D.C., Colombia. Departamento de Investigación Facultad de Ingeniería-Universidad
Libre Bogotá D.C., Colombia.
2
[email protected]. Auxiliar de investigación Departamento de Ingeniería Mecánica. Universidad Libre, Bogotá D.C.
3
[email protected]. Auxiliar de investigación Departamento de Ingeniería Mecánica. Universidad Libre, Bogotá D.C.
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sarios, obteniendo la información con la cual se va a
realizar el modelamiento por medio de herramientas
CAD y CAE.
Una de las tareas fundamentales del ingeniero consiste en el diseño, esto es, la aplicación de teorías
y normas que permitan la predicción cuantitativa del
comportamiento de un sistema mecánico para proceder a su construcción.
Partiendo de la necesidad del transporte automotor,
se realizó el estudio del comportamiento del chasis
sometido a cargas de tensión, compresión, flexión y
fatiga, por medio del análisis asistido por computador, utilizando herramientas computacionales como el
SolidEdge® y el ANSYS WORKBENCH® y evaluando
las condiciones de diseño a las cuales van a estar
sometidos en Colombia.
sión delantera y la trasera y al mismo tiempo ofrecer
puntos de amarre para los diferentes sistemas del
vehículo, así como el de proteger al conductor frente
a la colisión. Los diseños rara vez se someten a tensiones del orden del esfuerzo último. Lo determinante
es la no deformación o en otras palabras la rigidez. El
chasis debe ser rígido para deformarse poco y así no
alterar las características de la conducción.
La construcción de un chasis es el compromiso entre
la rigidez, el peso y el espacio, todo ello teniendo en
cuenta el costo final. Deben considerarse la resistencia estática y la fatiga, la estabilidad de los miembros
estructurales, la capacidad de carga de las uniones,
la fabricación y el montaje.
Figura 1. Imagen digital del chasis en 3D
1. CHASIS DE VEHICULOS.
ESTUDIO
DEL COMPORTAMIENTO
Debido a que el chasis es un elemento complejo, se
requiere un estudio especial desde el punto de vista
de diseño geométrico y al que, por otra parte, se le
añade la complejidad debida al carácter estocástico
de las cargas que actúan sobre él. Para su estudio se
hace necesario el empleo de modernas técnicas de
análisis numérico y medición experimental. Las técnicas, de análisis, permiten elevar la rigidez de la parte
trasera del bastidor.
Sobre el chasis se apoyan directa o indirectamente todos los conjuntos y órganos de trabajo que conforman
el vehiculo. El chasis debe resistir y tener la rigidez
suficiente para soportar las cargas máximas que aparecen durante el trabajo del vehiculo, para determinar
estas cargas se realizan las pruebas en regímenes
extremos de funcionamiento, que si bien a lo largo de
la vida del vehiculo no ocupan gran parte de la misma,
provocan grandes esfuerzos debidos a la acción de
las fuerzas de inercia de las diversas masas. Estos
regímenes extremos que aparecen, fundamentalmente en los desplazamientos de la máquina, se tienen
en cuenta en los cálculos de resistencia, no considerándose los mismos para los cálculos de fiabilidad o
durabilidad.
Un chasis se podría definir como una estructura cuyo
propósito es el de conectar rígidamente la suspen-
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AVANCES Investigación en Ingeniería - 2007 No. 6
1.1. Pesos y Capacidad de La Carrocería.
La información referente al los pesos que soporta la
carrocería del autobús son obtenidas de una empresa
ensambladora de buses en la ciudad de bogota.
Tabla 1. Pesos y capacidades de la carrocería
Pesos y Capacidades
Peso en el eje delantero a vacío sin carrocería 1660 kg.
Peso en el eje posterior a vacío sin carrocería 1010kg.
Peso a vacío
2670 kg.
Carga máxima en el eje delantero
3000 kg.
Carga máxima en el eje posterior
Peso bruto total (PBT)
5500 kg.
8500 kg.
Capacidad máxima de tracción
10 000 kg.
Fuente: Carrocerías Indubo.
2. ETAPA DE MODELAMIENTO 3D.
Figura 3 Detalle de la parte delantera del chasis
corregido en una vista lateral.
Como primera medida se procedió al modelamiento inicial de las diferentes geometrías constitutivas del chasis,
proceso largo debido a lo irregular de las mismas, así
como la dificultad en la toma de medidas al encontrarse
el conjunto armado. Debido a esto, se presentaron algunos errores en el montaje del conjunto en Solid Edge, lo
que hizo necesario una reevaluación de las geometrías y
de las dimensiones tomadas anteriormente.
2.1. Detalles Nuevos y Mejorados.
Se efectuaron cambios drásticos en la forma de todas
las piezas, acercando su geometría a la realidad del
modo más fiel posible con la más alta calidad de definición geométrica, siguiendo parámetros de fabricación
para entender y modelar más exactamente su forma.
La figura 3 muestra un detalle de la parte delantera
en la cual se puede apreciar como los largueros principales finalizan con una leve inclinación hacia abajo en
la cual existe completa transición entre una sección y
otra en ambos planos de dirección. Esta nueva configuración es mas acorde con el modelo real, permitiendo un mejor modelamiento por elementos.
Además se puede concluir, de acuerdo a la figura, que
los agujeros son perfectamente perpendiculares a las
caras de perforación.
Figura 2. Detalle de larguero en la zona delantera.
3. RESULTADOS DE LA SEGUNDA FASE
DE MODELAMIENTO.
Los resultados para esta parte son muy positivos en
muchos aspectos por:
•
Los chequeos de superficie continua como “líneas
de Cebra” son positivos es decir, que no existen
dentro de los largueros; superficies no tangentes
entre si.
•
Todas las piezas ensamblan con absoluta precisión
en cuanto a correspondencia entre agujeros, caras
coincidentes, entre otras.
AVANCES Investigación en Ingeniería - 2007 No. 6
DEL COMPORTAMIENTO
A continuación se presenta una serie de imágenes
representativas, las cuales darán una mejor idea de
los cambios realizados.
En la figura 2 puede observarse la transición de una
sección mayor a una sección menor con un cambio
suave y continuo a lo largo de todo el perfil, teniendo en cuenta los parámetros de fabricación de estos
largueros.
ESTUDIO
Los cambios mas significativos se encuentran en los
largueros principales en los cuales se realizo un replanteamiento total de la configuración geométrica,
respetando obviamente la posición original de todos
los agujeros y otras formas generales para no entorpecer la forma final del chasis lo cual es un parámetro
de entrada erróneo en el momento de la simulación
de elementos finitos. Consecuentemente estos resultados estarán muy alejados de la realidad y no tendrán por supuesto ninguna validez técnica.
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•
La revisión de interferencias da un total de
“cero” interferencias lo que permite exportar con
tranquilidad el ensamble al software ANSYS.
•
El aspecto estético individual y del conjunto se
mejoro en un amplio marguen.
•
Es posible crear representaciones con completa
seguridad como imágenes renderizadas y
animaciones de vistas explosionadas.
•
Se minimizan los errores cometidos en la fase
de levantamiento de planos y de modelamiento,
iniciales
•
Cualquier cambio en una de las piezas informara
automáticamente que hay que reformar otras, con
la ventaja de la asociatividad.
•
Todos los elementos de sujeción son estándar y
no creados por del dibujante.
Las figuras 4 y 5 son el resultado de un proceso lento
pero productivo el cual no hubiese sido posible con el
cambio oportuno de software, el cual permitió corregir
todos los problemas y crear nuevas soluciones, las
cuales se derivaron en un significativo ahorro de tiempo; (40% menos) es decir, que esta parte tuvo un costo en tiempo de dos meses y medio, con resultados
realmente sorprendentes en todos los aspectos.
Figura 4 Modelo final antes de su exportación.
ESTUDIO
DEL COMPORTAMIENTO
4. ASPECTO FINAL DEL MODELO ANTES
DE SU EXPORTACIÓN A ANSYS.
Figura 5. Ensamble completo.
5. ANÁLISIS POR ELEMENTOS FINITOS.
Una de las tareas fundamentales del ingeniero consiste en el diseño, esto es la predicción cuantitativa
del comportamiento de un sistema mecánico para
proceder a su diseño eficiente.
Para ello debe hacer uso de conceptos de física y matemática, además de elementos relacionados con el
estado del arte de una aplicación en particular, para
formular un modelo matemático del sistema en consideración. Dicho modelo no es más que un sistema de
ecuaciones cuyas incógnitas representan magnitudes
de interés tecnológico que permiten describir el comportamiento del objeto bajo análisis.
Consecuentemente, para llevar a cabo la predicción
en sí misma, el ingeniero debe resolver cuantitativamente las mencionadas ecuaciones para dedicarse, a
continuación, a la interpretación técnica y al análisis
de los resultados.
En muchas situaciones, los modelos pertinentes
involucran problemas de contorno gobernados por
ecuaciones diferenciales a derivadas parciales. Por
mencionar algunos de dichos casos pueden citarse el
estudio estructural de automóviles, aviones, puentes,
o el análisis de campo de flujo de calor en componentes de máquinas, flujo de fluidos, etc.
Para este modelo, el principal inconveniente fue el
coste computacional, al ser el modelo un sólido tridimensional, hecho que incrementó notablemente el
número de elementos y nodos, así como el número
de ecuaciones que se debían resolver. Por tal razón,
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la solución fue analizar la geometría como una superficie, y en ANSYS enmallar utilizando elementos sólidos, de manera que el número de nodos disminuyó
considerablemente, facilitando así el análisis.
Figura 7. Detalle de esfuerzo en el punto máximo.
6. RESULTADOS
Los resultados presentados a continuación están organizados por orden de relevancia, para deducir las
conclusiones pertinentes acerca de los mismos y recomendaciones para su correcta interpretación.
6.1. Entorno
El tipo de simulación es un análisis estático
•
El tipo de Modelo es Lineal estructural.
El entorno contiene todas las cargas y condiciones
definidas para el modelo en este escenario.
6.1.1. Gravedad estándar de la tierra
Magnitud: -9,806.65 mm/s² en el eje Z
6.2. Análisis de los resultados obtenidos
Los resultados a analizar son: el Esfuerzo Equivalente y el Factor de Seguridad, que para una mayor
aproximación en el resultado, se procedió a hacer refinamientos de malla, revisión de cargas, pruebas de
fatiga y demás arreglos geométricos, que pretenden
acercar aun mas a la realidad los fenómenos que aquí
se analizan.
Comparando el factor de seguridad obtenido por el
calculo manual con el factor obtenido por el análisis
de elementos finitos se nota una diferencia en lo que
se refiere al punto superior del larguero sometido a
momento flexionante mas una carga cortante en la
sección correspondiente al plano vertical que pasa
por el eje trasero del chasis.
Figura 8. Factor de seguridad a fatiga.
Figura 6 Esfuerzo equivalente
ESTUDIO
•
Como se pudo observar en la figura 6, los esfuerzos
máximos se concentran en la zona trasera muy cerca
del sitio predicho en los cálculos manuales de resistencia. Estos esfuerzos se deben a una carga distribuida que pertenece al peso de toda la carrocería,
cuya condición exige al máximo esta zona.
DEL COMPORTAMIENTO
•
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Figura 9. Resultados del Factor
de Seguridad en el Soporte
Figura 10 Resultados del Factor
de seguridad en la Luneta
Dicha diferencia es de alrededor de 1.5 veces mayor, sin embargo la zona de máximo esfuerzo se encuentra muy cerca en una zona inferior del larguero
derecho, donde se encuentra también una platina de
unión, mas exactamente en un agujero.
que es el factor de concentración de esfuerzos bajo
carga estática.
El factor de seguridad en el punto máximo de esfuerzo
es de 2.4 lo cual es relativamente bueno en términos
estáticos pero no tanto, en términos de fatiga
No se incluyeron en este análisis modelos que permitieran representar defectos de fabricación y ensamble, para que fuera un poco más sencillo. En
posteriores análisis se irá incrementando el grado
de complejidad del modelo, para abarcar todos aquellos tópicos que han quedado excluidos en este análisis.
6.3. Resultados del análisis por fatiga
ESTUDIO
DEL COMPORTAMIENTO
6.4. Resultados de Análisis de los muelles
Estos resultados son de gran importancia, debido a
que es gracias a ellos que se puede predecir en que
momento va a fallar el elemento bajo las solicitaciones actuales.
Cabe anotar que la carga no es totalmente alternante,
y que su amplitud varía de acuerdo a las condiciones
impredecibles de trabajo a la cual va estar sometido
tales como: cantidad de pasajeros en cada recorrido,
duración del recorrido, condiciones geográficas y de
carretera, cuidados al conducir, sobrepeso, mantenibilidad (control de la corrosión, control de vibraciones,
control de temperaturas que puedan influir en termofluencia).
Todas estas variables, cuyo valor es desconocido, se
han tratado de incluir por medio de la disminución del
factor de resistencia a la fatiga (Kf), el cual reduce la
resistencia corregida a la fatiga de materiales dúctiles. Dicho factor también tiene en cuenta el factor (Kc)
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Como ejemplo, en las figuras 9 y 10, se puede apreciar los valores obtenidos para los factores de seguridad de dos componentes del grupo de los muelles,
los cuales han sido analizados por separado del conjunto general, aplicando las cargas y restricciones de
manera tal, que se recrea totalmente las condiciones
de trabajo de las mismas.
7. CONCLUSIONES
•
En el presente artículo se presentan diversas
metodologías utilizadas para el análisis de las
estructuras de vehículos pesados, viéndose cual
ha sido la evolución en la utilización de estas
herramientas y su tendencia futura.
•
Se trabaja con diversos modelos que tratan de
prever el comportamiento real del vehículo en
carretera y de conocer de este modo cuales son
las solicitaciones más desfavorables a las que
se encuentra sometido, a partir de las cuales se
realizará el diseño futuro.
•
Se simplificó el modelo geométrico, al obviar los
componentes secundarios (filtros, mangueras,
etc.), reemplazándolos por sus efectos físicos
mediante la utilización de fuerzas remotas.
•
En el modelo de Elementos finitos, se redujo el
modelo sólido en 3D, a un modelo de superficies
para reducir el número de nodos, y así mismo, el
coste computacional.
REFERENCIAS
BATE, F. 1999 Finite Element. Prentice Hall
CHANDRUPATLA, TIRUPATHI ; BELEGUNDU, ASHOK. 1999. Introducción al estudio del Elemento Finito en
Ingeniería. Prentice Hall.
MOAVENI, SAEED. 1999. Finite Element Analysis. Theory and applications with ANSYS. Prentice Hall.
NORTON, ROBERT L Diseño de Maquinas. Prentice Hall.
SHIGLEY – MISCHKE. Diseño en ingeniería mecánica. McGRAW HILL
PETERSON, R.E. Stress Concentration Design Factors. Jhon Wiley & Sons.
ESTUDIO
DEL COMPORTAMIENTO
ZIENKIEWICZ, O.C. ; TAYLOR, R.L, 1994. El Método de los Elementos Finitos. Formulación Básica y Problemas
Lineales. McGraw Hill.
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